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1、 摘 要 在仿生啄木鸟头部独特生物构造和隔振机理的基础上 采用主动隔振 技术建立了超精密装置隔振系统结构及动力学模型 结合超精密装置隔振 系统的结构特点和性能要求 采用闭环 PID 主动控制系统 用 MATLAB 软件 进行了仿真分析研究 仿真分析结果表明 该振动控制系统宽频率范围内 具有良好的减振效果 该系统可应用于超精密测量 超精密制造设备的隔 振领域 关键词 超精密装置 仿生学 主动振动控制 PID 控制 ABSTRACT To keep the ultra precision device from the micro disturbance of environment a stru
2、cture and kinetic model of a vibration control system were established with a passive air spring which reduces vibrations of high frequency area and a giant magneto strictive actuator which reduces those of low frequency area which is imitative of the isolation mechanics and special organic texture
3、of woodpecker s brain In consideration of complex vibration environment and nonlinear ultra precision device a closed loop PID active control system was adopted The system was simulated by Matlab Results of simulations show that the control system can effectively restrain the disturbance whose frequ
4、ency range form 0 100 Hz It can be applied to the vibration isolation field of the ultra precision measuring and manufacturing device Key words ultra precision device bionics active vibration control PID control 目 录 1 概述 1 2 超精密装置隔振系统模型 2 2 1 超精密装置隔振系统结构模型 2 2 2 超精密装置隔振系统的动力学模型 3 3 超精密装置 PID 振动控制系统设
5、计模型 6 3 1 概述 6 3 2 PID 控制原理 7 3 2 1 模拟 PID 控制器 7 3 2 2 数字 PID 控制算法 8 3 3 自适应控制 13 3 3 1 自适应控制的系统框图 13 3 3 2 自适应控制的类型 15 3 3 3 自适应 PID 控制 18 3 4 智能 PID 控制 19 3 4 1 智能控制的含义 19 3 4 2 智能控制的功能特点 20 3 5 模糊 PID 控制 21 3 5 1 模糊控制的基本原理 21 3 5 2 模糊控制器的组成 22 3 6 神经网络 PID 控制 25 3 6 1 引言 25 3 6 2 基于单神经元的 PID 控制 2
6、5 3 7 预测 PID 控制 26 3 7 1 引言 26 3 7 2 动态矩阵预测 PID 串级控制 27 3 8 超精密装置 PID 振动控制系统设计模 29 4 超精密装置 PID 振动控制系统的仿真语言 MATLAB 31 4 1 MATLAB 发展史 31 4 2 MATLAB 的数值计算功能 31 4 2 1 MATLAB 的变量和表达式 31 4 2 2 MATLAB 数据的输出格式 32 4 2 3 MATLAB 常用的基本数学函数 32 4 2 4 矩阵和数组的创建 33 4 2 5 MATLAB 的矩阵和数组运算 36 4 2 6 关系运算和逻辑运算 37 4 3 MAT
7、LAB 中计算结果的可视化 39 4 3 1 二维曲线图形 39 4 3 2 三维曲面图形 42 4 3 3 图形的标注 43 4 4 MATLAB 程序 44 4 4 1 M 文件的功能和特点 45 4 4 2 M 文件的形式 45 4 4 3 MATLAB 程序结构 46 5 超精密装置 PID 振动控制系统仿真研究 48 5 1 仿真概述 48 5 1 1 系统 48 5 1 2 模型 48 5 1 3 仿真的必要性 49 5 1 4 仿真方法 49 5 1 5 仿真步骤 50 5 2 Simulink 仿真 51 5 2 1 模块库简介 53 5 2 2 Simulink 仿真的步骤
8、54 5 3 超精密装置 PID 振动控制系统仿真结果 58 6 结论 60 参考文献 61 1 概述 随着科学技术的发展 人们认识客观世界的技术也在不断地进步与更 新 在计算机领域内 人们更愿意用更加形象 直观和具有洞察力的方法 解决工程学中的各种问题 同时 无论在统计 信号处理 人工智能与自 动控制还是通信计算机领域 越来越多的工程技术人员需要摆脱 C 及 C 语 言烦 琐语法的束缚 因而计算机仿真技术对控制系统的设计和优化是一门犹为 重要的技术 同时 使用强有力的科学计算软件 MATLAB 作为 仿真软件 设计和仿真 超精密装置隔振控制系统 该系统可应用于超 精密测量 超精密制造设备的隔
9、振领域 用 MATLAB 研究和设计隔振控制系 统是当前隔振领域的重要课题之一 环境微振动干扰主要包括 大地脉动型地面振动 0 1Hz 实验室工作 人员走动所引起的振动 1 3Hz 通风管道和马达所引起的振动 6 65Hz 和在地震中建筑物的摆动 10 100Hz 这就要求设计的超精密装置 隔振系统能够克服振动频率在 0 100Hz 内的环境微振动干扰 本次毕业设 计结合超精密装置隔振系统的结构特点和性能要求 采用闭环 PID 主动控 制系统 根据超精密装置的数学模型 建立 PID 控制模型 并采用 MATLAB 软件进行仿真分析 在仿真过程中 考虑环境微振动干扰的真空情况 采 用随机信号模拟
10、外界干扰信号 并对结果作了比较及分析 结果表明 采 用 PID 控制模型后的振动控制系统具有良好的隔振效果 2 超精密装置隔振系统模型 2 1 超精密装置隔振系统结构模型 科学家发现了啄木鸟奇特的头部构造 除了强大的肌肉群 细密松软 的骨骼之外 在其坚韧的外脑膜与脑髓还存在一条狭窄的空隙 把经肌肉 骨骼吸收后的强烈震波减弱到安全限值内 如图 2 1 a 所示 通过对具有 良好隔振性能的鸟类部分构造和隔振机理的分析 利用仿生学原理建立了 超精密装置隔振系统结构模型 如图 2 1 b 所示 图 2 1 a 鸟类头部结构示意图 仿 生 设 计 图 2 1 b 超精密装置隔振系统的结构模型 图 2 1
11、 超精密装置隔振系统仿生设计原理图 对平台底座与地面之间采用被动隔振技术 在两者之间放置橡胶垫层 对应于鸟类头部的外脑膜外连接的软骨和肌肉群 从而使地面传来的各 种中高频扰力得到有效的隔离 在隔振平台和平台底座之间采用主动隔振 技术 以空气弹簧作为弹性元件 对应于鸟类头部外脑膜和脑髓之间的空 隙 以超磁致伸缩材料作为致动器 对应于鸟类头部外脑膜和脑髓之间连 接的神经和肌肉 通过与微检测系统一起构成闭环主动振动控制系统 可 以有效地消除由平台底座传过来的各种频率范围的振动扰力 即使对于被 动隔振系统难以消除的低频或超低频扰力 也能进行有效的隔离 2 2 超精密装置隔振系统的动力学模型 图 2 1
12、 b 系统可简化为图 2 2 所示的动力学模型 对应的动力学方 程为 考虑主动控制 图 2 2 超精密装置隔振系统动力学模型 2 1 2 1 1 2 21222 2 22222 0 2 10111 2 11111 y y 2 y y 2 Ry y 2 y y 2 M FF y y P 式 2 1 中 i 1 2 i i i M K ii i i KM2 C 1 2 M M 2 P 12 2 2222 M F yy yy 2 R 其中 M1为平台底座质量 M2为隔振平台质量 K1 C1分别为橡胶垫层 的刚度系数和阻尼系数 K2 C2分别为空气弹簧的刚度系数和阻尼系数 y0 t 为外界环境振动引起
13、的地基振动位移 y1 t 为平台底座的位移 y2 t 为 隔振平台的振动位移 F1 t 为超精密装置产生的并直接加至隔振平台上的 干扰力 Fp t 为由超磁致伸缩致动器产生的主动控制力 令式 2 1 中的 x1 y1 x2 y2 x3 x4 则可获得状态空间表达式为 1 y 2 y 2 2 DuxCy BuAxx T 式 2 2 中 4 3 2 1 x x x x x 1 0 0 F F y y u P 2222 2 2 2 2 222211 2 2 2 2 2 1 22 222 1000 0100 A 222 1 11 2 1 11 00 0 1 2 0000 0000 MM M B 001
14、0 T C 0000 D 假设所有变量的初始条件为零 方程 2 1 经过 Laplace 变换后可得 传递函数方程为 2 3 SFSF SYKSCSF SY SY KSCSMKSC SMKSCSM P1 0111 2 1 22 2 222 2 211 2 1 令 22 2 222 2 211 2 1 KSCSMKSC SMKSCSM A 22 2 222 2 211 2 1 22 2 222 2 211 2 1 det det KSCSMKSCSMKSCSM KSCSMKSC SMKSCSM A 则方程 2 3 可表示成如下形式 2 4 SFSF SYKSCSF KSCSMKSC SMKSCS
15、M SY SY P1 0111 11 2 122 2 222 2 2 2 1 1 令 Fp S 0 和 Y0 S 0 仅考虑干扰力 F1 S 可得传递函数 G1 S 为 2 5 2 2121 2 1 1 2 2 1 SKKSCCSM SF SYS SG 同理可得传递函数 G2 S 和 G3 S 为 2 6 2 11 2 12 2 2 SKSCSM SF SYS SG P 2 7 2 2211 0 2 2 3 SKSCKSC SY SYS SG 得到了传递函数 就可以用于建立 PID 控制系统设计模型并进行仿真 3超精密装置 PID 振动控制系统设计模型 3 1 概述 任何一个控制系统都是由被控
16、对象和控制器两大部分构成 被控对象 是指要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 控制器则是指对被控对 象起控制作用的装置总体 其中包括测量及信号转换装置 信号放大及功 率放大装置和实现控制指令的执行机构等基本组成部分 由控制器的基本组成部分及被控对象就能组成反馈控制系统 如果此 时系统能全面满足提出的性能指标要求 则系统的技术设计中的主要工作 就基本完成了 但这种情况并不多 更经常的情况是 这样组成的系统往 往不能同时满足各项性能指标的要求 甚至反馈控制系统不能稳定 为了 改善控制系统的性能 人们可能希望修改被控对象的动特性 但在许多实 际情况下 难于作到此点 因为被控对象往往是不能改变的 因此就需要 调整被控对象以外的控制器基本组成部分的参量 通常在这一部分中除了 放大器的增益外 其他也都难于任意变更 对于简单而性能指标要求不很 高的系统 通过调整增益有可能奏效 但在多数情况下 仅调整增益并不 能解决问题 例如提高系统的稳态精度不一定都能通过提高增益来实现 有时即使提高能满足精度要求 但可能导致暂态性能恶化 基本使系统不 稳定 这时必须在系统中引入一些附加装置用来校正系统的暂态和稳态
